ESPEL-MEC-0213-P

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UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE SEDE LATACUNGA
CARRERA DE INGENIERÍA EN MECATRÓNICA
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE SISTEMA DE RECIRCULACIÓN DE 
FLUIDOS A TRAVÉS DE ESTRUCTURAS POROSAS TRIDIMENSIONALES PARA EL 
ANÁLISIS DE FLUJO LAMINAR MEDIANTE VISIÓN ARTIFICIAL” 
AUTORES: LASCANO NUÑEZ JOSHUA VINICIO 
NAVAS NAVAS, MIGUEL ESTEBAN
DIRECTOR: Ing. LARA PADILLA HERNÁN VINICIO Ph.D. 
, 
1
1. RESUMEN
2
CONTENIDO
2. INTRODUCCIÓN
3. OBJETIVOS 
4. MARCO TEÓRICO
5. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
6. PRUEBAS
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El presente proyecto muestra el desarrollo de un prototipo de sistema de recirculación de
fluidos enfocándose en el análisis por visión artificial de un flujo laminar que atraviese
estructuras porosas tridimensionales similares a las del hueso humano. Este proyecto
representa un avance importante en el desarrollo de este tipo de tecnología a nivel nacional
dentro del área de la ingeniería tisular, además de que, al ser un prototipo de bajo costo abre
las puertas para futuras mejoras e investigaciones.
3
RESUMEN
1. RESUMEN
4
CONTENIDO
2. INTRODUCCIÓN
3. OBJETIVOS 
4. MARCO TEÓRICO
5. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
6. PRUEBAS
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5
INTRODUCCIÓN
1. RESUMEN
6
CONTENIDO
2. INTRODUCCIÓN
3. OBJETIVOS 
4. MARCO TEÓRICO
5. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
6. PRUEBAS
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
INVESTIGAR 
DISEÑAR 
CONSTRUIR 
IMPLEMENTAR 
EJECUTAR 
OBJETIVO GENERAL
Diseñar y construir un sistema 
de recirculación de fluidos a 
través de estructuras porosas 
tridimensionales para el análisis 
de flujo laminar mediante visión 
artificial 
7
OBJETIVOS
1. RESUMEN
8
CONTENIDO
2. INTRODUCCIÓN
3. OBJETIVOS 
4. MARCO TEÓRICO
5. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
6. PRUEBAS
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
9
MARCO TEÓRICO
BOMBA 
PERISTÁLTICA
CAVITACIÓN
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MARCO TEÓRICO
Estructuras Mínimas 
Triplemente Periódicas 
(TPMS)
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MARCO TEÓRICO
Visión Artificial
Impresión 3D
12
MARCO TEÓRICO
1. RESUMEN
13
CONTENIDO
2. INTRODUCCIÓN
3. OBJETIVOS 
4. MARCO TEÓRICO
5. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
6. PRUEBAS
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
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DISEÑO CAD DE LA ESTRUCTURA
(VISTA GENERAL DEL PROTOTIPO)
Bomba Peristáltica
Estructura de soporte
Caja de Control
Microscopio
Recámara
Estructura porosa 
TPMS
Soporte 
microscopio
PARTES PRINCIPALES
Caja de Control
Bomba Peristáltica
Estructuras 
TPMS
Recámara para las
estructuras porosas
Soporte 
Microscopio
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DISEÑO DEL PROTOTIPO
𝑅𝑒 =
𝜌 ∗ 𝑣 ∗ 𝐷
𝜇
𝑅𝑒 =
1000
𝑘𝑔
𝑚3
∗ 0.628
𝑚
𝑠
∗ 0.004 𝑚
1.102𝑥10−3
𝑁. 𝑠
𝑚2
𝑅𝑒 = 2279
Número de Reynolds
Flujo Laminar
DATOS INICIALES
w(rpm) w(rad/s) Tm(N*cm) Tm(N*m) Perd_torq Tdisp(Nm) Pot(W) Patm(bar)
200 20,94 3,6 0,036115 1,000 0,036115 0,756 1
h(m.c.a.) Q(m3/s) Q(ml/s) Vtang(m/s) A(m2) r(m) r(mm) diam(mm)
10,2 7,57E-06 7,567 0,6283 1,204E-05 0,002 1,958 3,92
DATOS CON RADIO MANGUERA COMERCIAL
Rad_of(mm) Rad_of(m) A(M2) V_operac(m/s) R_rot(m) R_rot(mm) Diam_rotor(mm)
2 0,002 1,257E-05 0,602 0,0288 28,75 57,50
16
DISEÑO DE LA BOMBA PERISTALTICA
17
DISEÑO DE LA BOMBA PERISTALTICA
Re f L(m) L(mm) Hr Per
2279 0,03 0,1 90,32 0,013 0
Fuerzas aplicadas al Rodillo
Se puede concluir que el caudal real que proporcionará la bomba 
peristáltica a una velocidad de 77 RPM será de 4.11 
𝑚𝑙
𝑠𝑒𝑔
.
Condiciones de vacío Condiciones de trabajo
𝐹𝑇𝑣 = 1.19𝑁 ∗ 0.47 𝐹𝑇𝑡 = 2.5𝑁 ∗ 0.47
𝐹𝑇𝑣 = 0.56 𝑁 𝐹𝑇𝑣 = 1.17 𝑁
DISEÑO DE LAS ESTRUCTURAS TPMS
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𝑛 = 1 −
𝑉𝑆
𝑉𝑇
19
20
𝜉 =
𝑑𝑝
𝑑𝑠
DISEÑO CAD Y CONSTRUCCION CAJA 
CONTROL
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DISEÑO CAD Y CONSTRUCCION DE LA 
BOMBA PERISTÁLTICA
22
DISEÑO CAD Y CONSTRUCCION DE LA 
RECÁMARA PARA LAS ESTRUCTURAS TPMS
23
DISEÑO CAD Y SOPORTE ROTATORIO DEL 
MICROSCOPIO
24
SISTEMA DE CONTROL INTERFAZ GRÁFICA
26
SISTEMA DE CONTROL ARDUINO UNO
1. RESUMEN
27
CONTENIDO
2. INTRODUCCIÓN
3. OBJETIVOS 
4. MARCO TEÓRICO
5. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
6. PRUEBAS
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
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ANÁLISIS DE PARTICULAS SOFTWARE 
IMAGEJ (FIJI)
1. RESUMEN
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CONTENIDO
2. INTRODUCCIÓN
3. OBJETIVOS 
4. MARCO TEÓRICO
5. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
6. PRUEBAS
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
30
7
9
,9
6
6
,7
4
6
,8
3
3
,6
2
0
,4
N 0 4 C - 0 9 N 0 4 C - 0 5 N 0 4 C 0 1 N 0 4 C 0 5 N 0 4 C 0 9
PERÍODO N CONSTANTE
Período N constante
ESTRUCTURAS POROSAS 
31
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
N04C-09 N04C-05 N04C01 N04C05 N04C09
Relacion entre radio del poro y tamaño del 
soporte Conjunto N
Serie 1
0,86
0,849
0,782
0,876
0,9
0,72
0,74
0,76
0,78
0,8
0,82
0,84
0,86
0,88
0,9
0,92
N-04 C01 N04 C01 N06 C01 N08 C01 N1C01
Relacion entre radio del poro y tamaño del soporte 
Conjunto C
Serie 1
32
0
50
100
150
200
NONE N1 C01 N04 C01 N04 C05 N04 C09 N06 C01 N08 C01
Velocidad de la partícula con caudal de 
100ml/min
Derecha Izquierda Superior
0
100
200
300
NONE N01 C01 N04 C01 N04 C05 N04 C09 N06 C01 N08 C01
Velocidad de la partícula con caudal de 
200ml/min
Derecha Izquierda Superior
1. RESUMEN
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CONTENIDO
2. INTRODUCCIÓN
3. OBJETIVOS 
4. MARCO TEÓRICO
5. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
6. PRUEBAS
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
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CONCLUSIONES
Se diseñó y construyó un prototipo de sistema de recirculación de fluidos a través de estructuras porosas 
tridimensionales para el análisis de flujo laminar mediante visión artificial, y mediante las pruebas realizadas se 
comprobó su funcionamiento.
Al investigar sobre los parámetros necesarios para la elaboración del prototipo se identificó a la bomba 
peristáltica y las estructuras porosas como aquellos elementos que demandaran mayor atención debido a su 
alto grado de complejidad tanto de diseño como de construcción. 
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El diseño de la bomba peristáltica parte de las principales características del motor a pasos a utilizar 
que según el fabricante son 3.6N.cm a una velocidad de 200RPM, mediante estos datos se pueden 
calcular y estimar algunos datos, entre los cuales resalta el caudal de la bomba. El diámetro de la bomba 
es un criterio del diseñador que debe ser evaluado con los cálculos respectivos; se establece un valor de 
57.5mm. 
El diámetro de la manguera calculado debe ser de 4mm interno, su medida externa no se encuentra en 
los cálculos debido a que esto dependerá de la disposición en el mercado. Las medidas de la manguera 
se establecieron como 4mm interno y 5.5mm externo.
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Es necesario conocer la fuerza tangencial de aplastamiento de la manguera para verificar la factibilidad 
del motor elegido, mediante cálculos se determina un valor de 0.56N para condiciones de vacío y de 
1.17N para condiciones de trabajo. Valores muy por debajo del proporcionado para el motor por el 
fabricante.
Los cálculos para la bomba peristáltica en condiciones normales generan un valor de caudal de 4.11 
𝑚𝑙/𝑠𝑒𝑔 a una velocidad de 200RPM. Mediante las pruebas realizadas, se establece que para un valor de 
frecuencia igual a 75 en el microcontrolador, la bomba genera un caudal de 4.16 𝑚𝑙/𝑠𝑒𝑔.
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El número de Reynolds es aplicable a fluidos en movimiento para establecer si presentan un flujo 
laminar o turbulento. Para ello establece que los valores inferiores a 2300 se consideran parte de 
un flujo laminar, se establece un valor de 2279 para el flujo presente dentro del proyecto. Por lo 
cual se considera un flujo laminar.
Para el diseño de las estructuras porosas es necesario un software de modelamiento matemático 
como Matlab. Sin embargo, una alternativa a éste es el software MathMod que además de ser 
gratuito provee un entorno especializado para la creación de estructuras mínimas periódicas 
como es elgiroide.
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El banco de pruebas realizado con 42 casos forma parte de dos conjuntos generales a un valor de 
caudal establecido, los valores seleccionados fueron 100 y 200 ml/min. Estos valores generan una 
velocidad de la partícula, de acuerdo a la estructura porosa colocada, de entre 50 y 100 mm/s según 
las figuras 58 y 59.
La alimentación de todo el sistema depende de la red local, la caja de control contiene una fuente 
de 110ac a 12vcc a 5amp, necesaria para alimentar el motor a pasos de la bomba peristáltica; un 
transformador de 12vcc a 6vcc para alimentar el servomotor y una fuente de 110ac a 5vcc para la 
pantalla Nextion de 5” y el arduino uno.
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RECOMENDACIONES
Considerando lo anteriormente mencionado, el diseño de una bomba de este tipo debe tratar de 
eliminar en lo posible la existencia de cavitación, ya que de no hacerlo se verían afectados 
parámetros de trabajo, dañaría el equipo, además de elevar el consumo energético del mismo.
Verificar el estado de la manguera interna de la bomba peristáltica previo a su funcionamiento, ya que 
debido al aplastamiento por los rodillos puede llegar a quebrarse en alguna sección.
Previo al iniciar las pruebas se debe realizar un llenado de la recámara, para ello se colocará la 
misma en posición de 45°, para que el líquido la llene completamente evitando posibles espacios de 
aire y reduciendo así el riesgo de cavitación.
40
Las partículas a utilizar deben estar suspendidas dentro del fluido y no sedimentarse. Para ello es 
necesario realizar pruebas con varias partículas y colocarlas dentro de un recipiente con el fluido a 
analizar; posteriormente utilizar únicamente las partículas suspendidas en el fluido.
Las partículas que resultaron más adecuadas para el presente análisis fueron las Capsicum annuum
encontradas en presentación de 24gr dentro del mercado local, debido a que sus características son 
adecuadas para un mejor análisis.
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